Betrachtungen zur Löslichkeit von Salzen in Wasser in Abhängigkeit
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Betrachtungen zur Löslichkeit von Salzen im Wasser in Abhängigkeit vom Druck und Temperatur anhand ihres osmotischen Drucks EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Druck und osmotischer Druck EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Druck Verhalten von Molekülen 1 Mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Druck Verhalten von Molekülen Verhalten von Molekülen 1 Mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein Oder, komprimiert man dieses Gas auf 1 Nl so steht dieses Mol Gas unter einem Druck von 22,4 bar EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Druck Verhalten von Molekülen Verhalten von Molekülen 1 Mol eines Gases nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein Oder, komprimiert man dieses Gas auf 1 Nl so steht dieses Mol Gas unter einem Druck von 22,4 bar Ein Normal-Liter (Nl) ist der Raum, den ein Liter Gas bei 1013 hPa und 273 K einnimmt EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Verhalten von SalzMolekülen in Wasser 1 Mol eines Salzes nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Verhalten von SalzMolekülen in Wasser Verhalten von SalzMolekülen in Wasser 1 Mol eines Salzes nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein Oder, Lösung eines Mol in 1 l Wasser erhöht sich der Druck auf 22,4 bar EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Verhalten von SalzMolekülen in Wasser Verhalten von SalzMolekülen in Wasser 1 Mol eines Salzes nimmt unter Normalbedingungen einen Raum von 22,4 Nl ein Oder, Lösung eines Mol in 1 l Wasser erhöht sich der Druck auf 22,4 bar Ein Normal-Liter (Nl) ist der Raum, den ein Liter Gas bei 1013 hPa und 273 K einnimmt EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Das gelöste Salz verhält sich im Wasser wie ein Gas, was das gleiche Volumen einnimmt wie das Wasser! EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Bei dieser Art der Betrachtung können wir auch die Gasgesetze anwenden: EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Bei dieser Art der Betrachtung können wir auch die Gasgesetze anwenden: 𝑎 𝑝∗𝑣 =𝑛∗𝑅∗𝑇 = ∗𝑅∗𝑇 𝑀 EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Erklärung: p = osmotischer Druck [bar] Pt= äußerer Druck in [bar] (im Normalfall immer 1) v = Volumen in Liter [l] n = Anzahl der Mole a = Gramm des Stoffes der gelöst ist [g] M = Molekulargewicht des Stoffes der gelöst ist [g] 𝑏𝑎𝑟 R = 0,082 (Gaskonstante) 𝐾𝑙 ∗∗ 𝑀𝑜𝑙 T = Kelvin [K] EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Durch Umstellen der Gleichung können wir den osmotischen Druck ermitteln: EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch pPt=aRTMV p=aRTMV Osmotischer Druck Durch Umstellen der Gleichung können wir den osmotischen Druck ermitteln: 𝑝 𝑎𝑅𝑇 = 𝑃𝑡 𝑀𝑉 𝑎𝑅𝑇 𝑝= 𝑀𝑉 EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Nach Literaturangaben liegt bei 20°C die max. Löslichkeit der Kieselsäure H4SiO4 (Molgewicht = 96) bei 0,120 g/l = 120 mg/l Das ergibt einen osmotischen Druck von 0,030 bar EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Durch Umstellen der Gleichung können wir auch die gelöste Menge eines Stoffes (Kieselsäure) in Abhängigkeit vom Druck errechnen: Partialdruck Mol-Gewicht Äußerer Druck Gaskonstante Normalliter Kelvin max. gelöste Kieselsäure EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Durch Umstellen der Gleichung können wir auch die gelöste Menge eines Stoffes (Kieselsäure) in Abhängigkeit vom Druck errechnen: Partialdruck Mol-Gewicht Äußerer Druck Gaskonstante Normalliter Kelvin max. gelöste Kieselsäure Wird von außen ein Druck angelegt, so ist der osmotische Druck wie ein Partialdruck anzusehen! EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Durch Umstellen der Gleichung können wir auch die gelöste Menge eines Stoffes (Kieselsäure) in Abhängigkeit vom Druck errechnen: Partialdruck Mol-Gewicht Äußerer Druck Gaskonstante Normalliter Kelvin max. gelöste Kieselsäure Wird von außen ein Druck angelegt, so ist der osmotische Druck wie ein Partialdruck anzusehen! EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Wird der Aussendruck verdoppelt, beträgt der Partialdruck nur die Hälfte des ursprünglichen Drucks = osmotischer Drucks EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Wird der Aussendruck verdoppelt, beträgt der Partialdruck nur die Hälfte des ursprünglichen Drucks = osmotischer Drucks Damit kann dann die max. Konzentration eines Stoffes in Abhängigkeit vom Druck errechnet werden EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck H4SiO4 SiO2 EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Gehalt an Silikat im Trinkwasser ca. 10 mg/l H4SiO4 SiO2 EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Gehalt an Silikat im Trinkwasser ca. 10 mg/l EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Gehalt an Silikat im Trinkwasser ca. 10 mg/l Max. Löslichkeit bei ca. 1.000 bar < 0,1 mg/l EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Gehalt an Silikat im Trinkwasser ca. 10 mg/l d Max. Löslichkeit bei ca. 1.000 bar < 0,1 mg/l EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Bei einem Wasserdruck von 8 bar Löslichkeit von Kieselsäure ca. 10 mg/l Bei einem Druck von > 1.000 bar nur noch < 0,1 mg/l. Alles, was über dieser Konzentration liegt, kristallisiert aus. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Osmotischer Druck Bei einem Wasserdruck von 8 bar Löslichkeit von Kieselsäure ca. 10 mg/l Bei einem Druck von > 1.000 bar nur noch < 0,1 mg/l. Alles, was über dieser Konzentration liegt, kristallisiert aus. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Teil II Kristallisation und deren Verzögerung EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation SiO2 Kristall EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum 1. Heranführen der Kieselsäure aus der Lösung an das sich bildende Kristall EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum 1. Heranführen der Kieselsäure aus der Lösung an das sich bildende Kristall 2. Die eigentliche Kristallisation EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum 1. Heranführen der Kieselsäure aus der Lösung an das sich bildende Kristall 2. Die eigentliche Kristallisation 3. Das Wegführen der Reaktionsprodukte vom Kristall EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum Das Kristallisieren ist immer eine Phasenveränderung, hier von „Gelöst“ in „Fest“. Dabei entstehen Reaktionsprodukte EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Bedingungen für Wachstum 1. Heranführen der Kieselsäure aus der Lösung an das sich bildende Kristall 2. Die eigentliche Kristallisation 3. Das Wegführen der Reaktionsprodukte vom Kristall Alle Bedingungen sind zeitabhängig und der langsamste Prozess ist für die Kristallisation maßgeblich EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Einige Überlegungen: EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Einige Überlegungen: Jedes Mol eines Stoffes besteht aus 6 * 1023 Teilchen (Moleküle). Umgerechnet auf eine Konzentration SiO2 = Silikat von 10 mg/l entspricht das 6,3 * 1019 Teilchen/l Wasser. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Einige Überlegungen: Jedes Mol eines Stoffes besteht aus 6 * 1023 Teilchen (Moleküle). Umgerechnet auf eine Konzentration SiO2 = Silikat von 10 mg/l entspricht das 6,3 * 1019 Teilchen/l Wasser. Wenn wir ein Mikro-Kristall von 0,1 mm3 betrachten, so enthält dieses kleine Kristall schon 2,65 * 1021 Moleküle EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Einige Überlegungen: Jedes Mol eines Stoffes besteht aus 6 * 1023 Teilchen (Moleküle). Umgerechnet auf eine Konzentration SiO2 = Silikat von 10 mg/l entspricht das 6,3 * 1019 Teilchen/l Wasser. Wenn wir ein Mikro-Kristall von 0,1 mm3 betrachten, so enthält dieses kleine Kristall schon 2,65 * 1021 Moleküle Da nur die Moleküle zu einer Kristallbildung an Oberflächen führen können, die auch an der Oberfläche sind, ist auszurechnen, wie viele Moleküle sich an einer Flüssigkeitsfläche von 0,22 mm2 befinden: Ergebnis = 4,4 * 109 Moleküle Kantenlänge eines Würfel von 0,1 mm³ = 0,46 mm EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation weitere Überlegungen: Wenn also pro 0,22 mm² nur 4,4 * 109 Moleküle durch die Strömung im Apparat an den Kristallisationspunkten „vorbei“ kommen, wie lange muss es dann dauern, bis ein Kristall von der Größe eines Mikro-Kristalls von 0,1 mm³ Größe entsteht. Je nach Strömungsverhältnissen kann das Wochen bis Monate dauern, aber die Kristalle werden wachsen! EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Größenvergleich: 20 Spieler = Moleküle Fußballfeld Müssen ein Tor treffen von 0,16 m² Größe. Dort sind 2.000.000 Spieler = Moleküle versammelt. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Verhinderung der Kristallisation EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Verhinderung der Kristallisation 1. Das Heranführen von Kieselsäure kann nicht verhindert werden EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Verhinderung der Kristallisation 1. Das Heranführen von Kieselsäure kann nicht verhindert werden 2. Die Kristallisation kann auch nicht verhindert werden und EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Verhinderung der Kristallisation 1. Das Heranführen von Kieselsäure kann nicht verhindert werden 2. Die Kristallisation kann auch nicht verhindert werden und 3. Der Abtransport von Reaktionsprodukten vom sich bildenden Kristall ist nicht möglich EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Verhinderung der Kristallisation 1. Das Heranführen von Kieselsäure kann nicht verhindert werden 2. Die Kristallisation kann auch nicht verhindert werden und 3. Der Abtransport von Reaktionsprodukten vom sich bildenden Kristall ist nicht möglich Welcher Weg ist dann möglich ? EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Es werden Chemikalien eingesetzt, die einen sogenannten Schwelleneffekt erzeugen. Das bedeutet, dass die Kristallisation um eine gewisse Zeit nach hinten verschoben wird. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Es werden Chemikalien eingesetzt, die einen sogenannten Schwelleneffekt erzeugen. Das bedeutet, dass die Kristallisation um eine gewisse Zeit nach hinten verschoben wird. Wenn nichts kristallisieren kann, können auch keine Kristalle aufgebaut werden. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Es werden Chemikalien eingesetzt, die einen sogenannten Schwelleneffekt erzeugen. Das bedeutet, dass die Kristallisation um eine gewisse Zeit nach hinten verschoben wird. Wenn nichts kristallisieren kann, können auch keine Kristalle aufgebaut werden. Erst wenn diese Zeit zu kurz ist, kommt ein anderer Effekt zum Tragen. Die Absorption von Chemikalien zur Zerstörung der Kristallstruktur der Kieselsäure, sprich Silikat. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Es werden Chemikalien eingesetzt, die in die Kristallstruktur des Silikats eingebaut werden und damit keine stabile Struktur zulassen. Das Kristall ist damit geschädigt, Strukturen auf Oberflächen können nicht mehr formiert werden. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Es werden Chemikalien eingesetzt, die in die Kristallstruktur des Silikats eingebaut werden und damit keine stabile Struktur zulassen. Das Kristall ist damit geschädigt, Strukturen auf Oberflächen können nicht mehr formiert werden. Durch die vorhandenen Strömungsbedingungen wird das nun amorphe Silikatgebilde weggespült und die Oberfläche bleibt sauber. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Störung der Kristallstruktur bei Calciumcarbonat a) Kalkkristalle aus Frischwasser b) Störung durch Stabilisatoren c + d) Einsatz verschiedener Stabilisatoren und Gemische EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Temperatur Die Betrachtung der Temperatur ist etwas zu kurz gekommen. Man beachte, dass auf der einen Seite die Löslichkeit von vielen Salzen im Wasser zunimmt. Auf der anderen Seite verdoppelt sich die Kristallisationsgeschwindigkeit pro 10 °C Temperaturerhöhung, wenn gesättigte Lösungen vorliegen. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Kristallisation Temperatur Die Betrachtung der Temperatur ist etwas zu kurz gekommen. Man beachte, dass auf der einen Seite die Löslichkeit von Salzen im Wasser zunimmt. Auf der anderen Seite verdoppelt sich die Kristallisationsgeschwindigkeit pro 10 °C Temperaturerhöhung, wenn gesättigte Lösungen vorliegen. Bei 1.000 bar beträgt die Löslichkeit < 0,1 mg/l. Wird die Temperatur von 20 °C (293 K) auf 100 °C (373 K) gesteigert, führt das zu einer marginalen kleineren Löslichkeit von Kieselsäure. Die Druckkomponente ist aber um ein vielfaches größer. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Prozessbeeinflussende Parameter Schlusswort Diese Überlegungen sind rein theoretischer Natur und wurden nur in Teilen bestätigt. Die Naturgesetze sind nicht zu 100 % auf technische Gegebenheiten zu übertragen, sie können aber Richtungen aufzeigen. Diese Überlegungen dienen als Diskussionsgrundlage für weitere Überlegungen und Untersuchungen. EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch Prozessbeeinflussende Parameter Vielen Dank für Ihre Aufmerksamkeit. Wir, die EKOWA GmbH wünschen Ihnen eine anregende Diskussion. Vielen Dank EKOWA GmbH - Ing.-Chem. Georg Hänisch
